MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械液壓混合傳動(dòng)系統(tǒng)研究

王振宇 許增金 王梓涵

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 遼寧沈陽(yáng) 110000

不可再生能源大量開(kāi)采，使資源總量大幅度下降，可再生資源的開(kāi)發(fā)具有重要的意義，全球氣候協(xié)議簽約以后，可再生能源進(jìn)入了快速發(fā)展階段，可再生能源是通過(guò)可再生資源的能量回收所獲得，我們能夠從陽(yáng)光中獲得能量，也可以從風(fēng)、潮汐等自然資源獲得更多能量，其中從風(fēng)中獲得的風(fēng)能是當(dāng)前最有價(jià)值的，具備最成熟的利用技術(shù)，發(fā)展前景也很可觀，能夠有效解決全國(guó)能源需求。文章詳細(xì)介紹了MW型風(fēng)電機(jī)組原理，同時(shí)提出相關(guān)控制策略，系統(tǒng)研究風(fēng)力機(jī)中機(jī)械液壓混合傳動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)等。從電機(jī)組機(jī)械液壓混合傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，探索更適合風(fēng)能的控制系統(tǒng)以及策略，最大限度地發(fā)揮風(fēng)能的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。

1 MW型風(fēng)電機(jī)組控制原理概述

當(dāng)風(fēng)速和切入風(fēng)速大小存在差異時(shí)，只有前者大于后者，才能讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常啟動(dòng)，進(jìn)而對(duì)變槳和泵進(jìn)行有效操控，確保能夠?yàn)椴⒕W(wǎng)提供更便捷的條件。當(dāng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后，必須采取措施控制風(fēng)力機(jī)的速度，同時(shí)根據(jù)其實(shí)際情況的變化而調(diào)整轉(zhuǎn)速。在實(shí)際工作中，額定風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速應(yīng)保持一致，這樣才能保證風(fēng)力機(jī)的功率輸出穩(wěn)定。

詳細(xì)分析機(jī)械液壓MW型風(fēng)電機(jī)組的具體特點(diǎn)，在現(xiàn)有的控制策略基礎(chǔ)上，提出更新的控制策略。通過(guò)對(duì)風(fēng)速與切入風(fēng)速進(jìn)行有效控制，當(dāng)前者小于后者時(shí)，能夠保持一種順槳狀態(tài)；當(dāng)前者大于后者，一定程度上會(huì)加速風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，借助變槳與泵的情況進(jìn)行相對(duì)控制，有效確保發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)，在相關(guān)操作之后，對(duì)控制泵的變量進(jìn)行合理控制，滿足風(fēng)力機(jī)的相關(guān)要求，進(jìn)而最大限度地捕獲風(fēng)力機(jī)的實(shí)際功率。隨后在分析葉輪轉(zhuǎn)速的實(shí)際情況，考察其是否到達(dá)指定的額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定標(biāo)準(zhǔn)后，再看風(fēng)速與額定風(fēng)速的關(guān)系，當(dāng)前者大于后者，必須借助控制泵的作用，通過(guò)調(diào)節(jié)其中的排量來(lái)確保相關(guān)功率的穩(wěn)定；當(dāng)前者小于后者，風(fēng)力機(jī)可以借助控制泵來(lái)控制葉輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)而保證其能夠在一定相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。不僅如此，考慮采用變槳實(shí)現(xiàn)功率穩(wěn)定，當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí)，槳葉順槳，風(fēng)力機(jī)停機(jī)。

2 MW型風(fēng)電機(jī)組機(jī)械液壓混合傳動(dòng)原理及機(jī)組的變速恒頻控制

風(fēng)電機(jī)組機(jī)械液壓混合傳動(dòng)關(guān)鍵在于混合，其中涉及混合傳動(dòng)系統(tǒng)是較為重要的環(huán)節(jié)之一，借助液壓能和機(jī)械能的作用進(jìn)行能量傳送。首先，借助葉輪控制系統(tǒng)獲得充足的風(fēng)能和機(jī)械能；其次，將其中的能量進(jìn)行分流，其中一部分變成機(jī)械能，最后通過(guò)發(fā)電機(jī)的作用達(dá)到能量傳遞。

3 MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械液壓混合傳動(dòng)系統(tǒng)模型分類

可再生能源能夠?qū)δ茉唇Y(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)生很大影響，同時(shí)有利于全球環(huán)境保護(hù)，為氣候變化產(chǎn)生了一定的影響，推動(dòng)我國(guó)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，為我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)前，風(fēng)能是再生能源技術(shù)中最成熟的技術(shù)，也是應(yīng)用最廣泛的，下文針對(duì)風(fēng)為機(jī)傳動(dòng)鏈展開(kāi)一定的研究，詳細(xì)分析混合傳動(dòng)風(fēng)電機(jī)不同階段適配的控制策略，針對(duì)此問(wèn)題提出專業(yè)的理論分析，同時(shí)設(shè)計(jì)了相關(guān)模型和試驗(yàn)提高可行性。

為了保證研究的真實(shí)性和可操作性，本文選擇專業(yè)的MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組建模來(lái)進(jìn)行研究和分析，其中涉及以下幾方面。

3.1 風(fēng)速模型

對(duì)于風(fēng)能而言，風(fēng)速快慢很大程度上影響能源的分布，所以在研究風(fēng)能的過(guò)程中必須對(duì)風(fēng)速進(jìn)行研究。而平均風(fēng)速、斜坡值風(fēng)速的穩(wěn)定性、陣風(fēng)分量和湍流分量是其中最重要的影響因素。平均風(fēng)速主要借助風(fēng)機(jī)額定功率和潮流計(jì)算的輸出率進(jìn)行計(jì)算。

3.2 葉輪模型

葉輪是獲得風(fēng)能的重要設(shè)備，葉輪是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)決定風(fēng)能是否能夠達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。而這需要由風(fēng)輪進(jìn)行控制和操作，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速正常，風(fēng)力機(jī)一切指標(biāo)均保持正常。在實(shí)際操作中可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行，進(jìn)而確保能夠滿足一定的需求。

3.3 并網(wǎng)發(fā)電機(jī)模型

為了不斷豐富能源結(jié)構(gòu)，替代更多不可再生能源，電力發(fā)電也成為當(dāng)前較為重要的技術(shù)之一，發(fā)電機(jī)的使用范圍以及使用面不斷擴(kuò)大，使用次數(shù)也不斷增加，如火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電等。基于其重要性的日益凸顯，同步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電也是當(dāng)前重要發(fā)展方向，能夠有效轉(zhuǎn)化功率，電流及電機(jī)在正常調(diào)節(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了功率的轉(zhuǎn)化。

合并風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有很多優(yōu)勢(shì)，最突出的是不需要使用容量較大的變流器即可以完成相對(duì)應(yīng)的工作任務(wù)。一方面，能夠降低成本，避免浪費(fèi)過(guò)多的人力物力財(cái)力；另一方面，變流器具有很復(fù)雜且不方便的操作流程，如果控制不到位，很可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，不僅電能質(zhì)量存在很大差異，而且電流總量瑣事很嚴(yán)重。

4 MW型風(fēng)電機(jī)組仿真策略分析

4.1 變速恒頻控制結(jié)構(gòu)分析

如果想實(shí)現(xiàn)風(fēng)速并網(wǎng)必須符合一定的條件，當(dāng)風(fēng)速等其他因素得不到相關(guān)要求時(shí)則很難進(jìn)行后續(xù)操作。變速恒頻系統(tǒng)的存在主要用來(lái)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速，只有確保兩者在比較接近的范圍內(nèi)，才可以達(dá)到合閘并網(wǎng)的要求。當(dāng)達(dá)到這一要求后，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)不同，而葉輪能夠進(jìn)行跟蹤分析，確保風(fēng)速能夠時(shí)刻保持合理。

4.2 機(jī)械液壓混合傳動(dòng)功率分配及效率分析

機(jī)械液壓混合傳動(dòng)通過(guò)發(fā)電機(jī)來(lái)進(jìn)行工作，根據(jù)不同的傳輸渠道分為液壓路傳遞和機(jī)械路傳遞，但二者占據(jù)的比重不同，前者比重較小，后者比重較大，這樣能夠提升混合系統(tǒng)的傳遞效率和速度，從整體上提升風(fēng)力發(fā)電的水平。除此之外，在能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程中還有一部分能量主要借助液壓形成，但是其所占據(jù)的比重較小。

5 MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械液壓混合傳動(dòng)系統(tǒng)控制策略

5.1 并網(wǎng)控制策略

當(dāng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)時(shí)，發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓必須保持相對(duì)穩(wěn)定且峰值相同的狀態(tài)，這樣才能保證并網(wǎng)達(dá)到相對(duì)合理的要求。如果二者數(shù)值出現(xiàn)差距，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)產(chǎn)生的回路會(huì)帶來(lái)一定的沖擊電流，這種電流危害較大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障或者電網(wǎng)損害等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)其中內(nèi)容的分析，我們不難發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)應(yīng)該滿足以下要求：

(1)電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的電壓和相位應(yīng)該保持一致；

(2)電壓和發(fā)電機(jī)的有效值保持一致；

(3)電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)的相序保持一致。

這三個(gè)要求必須同時(shí)滿足，這樣才能確保并網(wǎng)的順利實(shí)現(xiàn)和完成。如果其中的任意一條未滿足，很大程度上將會(huì)造成一定的風(fēng)險(xiǎn)。三個(gè)要求相比，第三條比較重要，二者的相序必須保持高度一致。而電壓和有效值允許有一定的偏差，但是也必須保持在一定的范圍內(nèi)，這樣才不會(huì)損害發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)。當(dāng)前比較流行的幾種發(fā)電機(jī)中均含有變流器，首先通過(guò)調(diào)節(jié)其中的風(fēng)力機(jī)變槳來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制，然后通過(guò)變流器使發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的指數(shù)達(dá)到規(guī)定要求，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)通過(guò)閉合裝置來(lái)控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的目的。

風(fēng)電機(jī)組機(jī)械液壓混合傳動(dòng)系統(tǒng)具有一定的特殊性。首先，借助變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。其次，利用葉輪控制其中的轉(zhuǎn)速。最后，控制器會(huì)對(duì)三個(gè)要求進(jìn)行一一核查，確保條件符合完成并網(wǎng)操作。

傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)很大程度上取決于液壓傳動(dòng)的傳動(dòng)比，其中的數(shù)值變化會(huì)造成整體情況的改變。基于此，在進(jìn)行機(jī)械液壓傳動(dòng)型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行如下操作：一方面，通過(guò)調(diào)整風(fēng)速與切入風(fēng)速的關(guān)系來(lái)進(jìn)行，當(dāng)前者大于后者，變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入正常狀態(tài)時(shí)，能夠讓驅(qū)動(dòng)葉片處于最佳角度。其次，在前期準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上葉輪能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)槳葉節(jié)距角的實(shí)際來(lái)進(jìn)行一定的改變，讓葉輪盡可能地保持穩(wěn)定。最后，對(duì)液壓泵的排量進(jìn)行移動(dòng)的控制，進(jìn)而確保發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。

5.2 最佳轉(zhuǎn)速跟蹤區(qū)控制策略

機(jī)械液壓MW型風(fēng)電機(jī)組與當(dāng)前使用的發(fā)電機(jī)存在很大不同，針對(duì)最佳轉(zhuǎn)速跟蹤區(qū)控制策略的具體分析，主要從這三個(gè)方面展開(kāi)詳細(xì)研究，包括恒功率區(qū)控制策略、恒轉(zhuǎn)速區(qū)控制策略及過(guò)渡階段。根據(jù)該機(jī)械液壓MW型風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)，本論文采用最佳轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線追蹤法實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速跟蹤控制。依據(jù)葉輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，在此基礎(chǔ)上將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩做差來(lái)比較，控制器進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓泵量，閉環(huán)控制其轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速，通過(guò)一定的閉環(huán)控制追蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)矩。

5.3 恒轉(zhuǎn)速區(qū)控制策略

對(duì)于恒轉(zhuǎn)速區(qū)的控制，主要目標(biāo)是為了確保葉輪轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，風(fēng)速在持續(xù)升高的同時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速也在隨之升高，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速的時(shí)候，將風(fēng)速持續(xù)增大，確保葉輪轉(zhuǎn)速能夠保持在額定轉(zhuǎn)速。此外，加上具有一定柔性的液壓傳動(dòng)，很大程度上吸收了風(fēng)速波動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，為恒轉(zhuǎn)速的控制提供了一定的保障。風(fēng)速改變的時(shí)候驅(qū)動(dòng)力矩也隨之發(fā)生變化，液壓轉(zhuǎn)矩參與調(diào)節(jié)，進(jìn)而維持一定的平衡。所以，通過(guò)液壓泵一定的調(diào)節(jié)以后，能夠維持風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)行。

5.4 最佳轉(zhuǎn)速跟蹤區(qū)與恒轉(zhuǎn)速區(qū)過(guò)渡階段的控制策略

這兩個(gè)階段需要一個(gè)過(guò)渡，在過(guò)渡期間需要一定的控制，避免因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩突變影響傳動(dòng)系統(tǒng)的性能和使用，在最佳轉(zhuǎn)速跟蹤區(qū)，風(fēng)力越大，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨之越來(lái)越大，葉輪有了加速度，在恒轉(zhuǎn)速區(qū)，風(fēng)力機(jī)在隨著風(fēng)速加大而加速的同時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速上，葉輪不具有加速度。

本文在研究的過(guò)程中借助正余弦曲線來(lái)反映相關(guān)數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用的過(guò)程中，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速到達(dá)指定的額定轉(zhuǎn)速后，能夠?qū)θ~輪的加速度進(jìn)行科學(xué)測(cè)量。在這種情形下，如果其中的風(fēng)速繼續(xù)保持上升狀態(tài)，可以借助葉輪的加速度，選擇相對(duì)合理的運(yùn)行周期，將葉輪的轉(zhuǎn)速設(shè)定為1/4周期。而當(dāng)葉輪其中的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的極點(diǎn)(正弦曲線最高點(diǎn))時(shí)，借助此時(shí)的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速，將葉輪轉(zhuǎn)速控制在1/2周期之內(nèi)。

5.5 恒功率區(qū)控制策略

風(fēng)速和額定風(fēng)速之間的關(guān)系也是需要控制的，風(fēng)速大大超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電功率也是很大程度上超過(guò)了額定功率，這時(shí)候就必須采用變槳的方式減弱風(fēng)速，確保風(fēng)電機(jī)組的使用壽命不被損壞或者減少。此外，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)具備柔性，風(fēng)速如果過(guò)快的話，會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，液壓傳動(dòng)此時(shí)能夠吸收一定的波動(dòng)，從而確保風(fēng)電機(jī)的使用，也有利于加強(qiáng)其使用壽命。

詳細(xì)分析風(fēng)力機(jī)混合傳動(dòng)系統(tǒng)不同階段的控制策略，混合傳動(dòng)系統(tǒng)的初步模型進(jìn)行建立以后，詳細(xì)分析系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出控制策略，包含功率分合流控制、轉(zhuǎn)矩控制、變速控制等，進(jìn)一步說(shuō)明具體流程，進(jìn)行一定的理論論證，最后通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)信息繪制風(fēng)電機(jī)組各方面工作情況，包括轉(zhuǎn)速、機(jī)械液壓轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)相關(guān)排量等。

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的具體過(guò)程中的各階段控制原理進(jìn)行詳細(xì)分析，加上機(jī)械液壓混合傳動(dòng)型風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)，總結(jié)出在各階段風(fēng)電機(jī)組對(duì)于風(fēng)力機(jī)的具體控制策略，從而為實(shí)際試驗(yàn)提供理論參考。針對(duì)機(jī)械液壓混合傳動(dòng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)分析，總結(jié)出機(jī)械液壓混合傳動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，此外也分析了其功率分流的具體情況。

本文研究?jī)?nèi)容包含諸多學(xué)科問(wèn)題，從不同的學(xué)科內(nèi)容出發(fā)解決風(fēng)電機(jī)組機(jī)械液壓混合傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，能夠?qū)ο鄬?duì)應(yīng)的問(wèn)題提出具有針對(duì)性的解決方案以及措施，不斷提升風(fēng)力機(jī)自身的功率輸出，盡可能地節(jié)約維修費(fèi)用。

本文介紹了可再生能源的發(fā)展趨勢(shì)以及發(fā)展前景，針對(duì)風(fēng)能利用現(xiàn)狀進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究，同時(shí)也對(duì)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)性分析，著重強(qiáng)調(diào)研究變速運(yùn)行下風(fēng)力運(yùn)行相關(guān)技術(shù)，對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組存在的不足之處，總結(jié)出一種新型風(fēng)力機(jī)混合傳動(dòng)系統(tǒng)。本篇文章研究了風(fēng)力機(jī)中電液控制齒輪箱，以供參考。